全密度聚乙烯排料管線振動原因分析及減振改造

姜永亮

（大慶石化公司塑料廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

某化工廠全密度聚乙烯裝置有兩條排料管線，用于輸送聚乙烯粉末至脫氣倉，為間歇式氣動輸料，正常情況下兩條排料管線交替工作。該管線2012 年8 月建成投入使用，自投用以來管線振動大，并多次出現管件振裂損壞情況，已經無法滿足裝置大負荷、長周期安全生產要求。

1 排料管線運行情況

排料管線內輸送的主要介質為聚乙烯粉末、乙烯、氮氣混合物，密度為0.91～0.96 g/cm3。排料管線開始排料時壓力為823 kPa，排料結束時為28.5 kPa。管線材質為20#鋼，管線由直徑273 mm、壁厚9.5 mm 和直徑219 mm、壁厚9.8 mm 兩種規格管段組成，各管段間采用法蘭連接。

2 對管線進行ANSYS 分析

通過ANSYS 分析軟件，根據現場實際測量數據繪制管線單線圖并且根據單線圖建立分析模型，采用的單元為PIPE16，其中X 軸方向為東偏南方向，Y 軸方向為垂直方向，Z 軸為西偏南方向，模型的基本長度單位與圖紙相對應為mm。同時為了方便分析和說明引起振動的原因及振型，按照管線各部分布置特點，將管劃分為A、B、C、D、E 五個管段進行分析說明（圖1）。管線出口至垂直方向第一個彎頭的水平管段為A 段，A 段與C 段間垂直管段為B 段，B 段后方水平直管段為C 段，C 段后方靠近進口垂直管段為D 段，D 段后方水平管段為E 段。

通過振型分析（表1）和ANSYS 軟件計算分析得到以下結論。

（1）E 段的振型以15 階振型為主，振動頻率為24.8 Hz，該段高階能量相對小，振動較小。管段進口彎管處設置限制水平方向自由度的彈簧阻尼，管段兩端設置限制垂直方向自由度的彈簧支座，起到了很好的減振作用。該管段雖然壓力最高、物料流動速度最快，但是由于合理的減振措施，振動不明顯。現場觀測情況與分析結果基本一致。

圖1 管線模型

（2）A 段的振型以14 階振型為主，振動頻率為21.7 Hz。該管段物料壓力低流動速度慢，物料對管線的沖擊較小，振動較小，現場觀測情況驗證了分析結論。

（3）5 階、7 階、10 階振型為B 管段的主要振型，振動頻率分別為9.4 Hz、9.4 Hz、14 Hz。B 管段是整條管線最長垂直管段，管段雖然布置有支座，但是支座間距大且都是滑動支座，只對管線水平方向自由度有部分限制作用，所以B 管段的振動比A、E兩管段振動大。

（4）C、D 兩管段主要振型為2階、3 階、4 階、9 階、13 階振型，振動頻率為3.2 Hz、4.6 Hz、9 Hz、11.8 Hz、20.9 Hz。這兩個管段的共同特點是沒有支座和阻尼等減振措施，接近管線入口處物料壓力高和流速快，物料經過彎管處流動方向改變對管線沖擊大，沒有有效的減振措施起到減振作用，所以振動明顯。

表1 模態分析前15 階固有頻率統計

3 管線振動原因分析

通過便攜式速度傳感器對管線送料時的振動數據進行采集，主要測試運行時管線振動情況。由于B 管段位置特殊不具備測量條件，所以選取A、C、D、E 管段法蘭為測量點。排料過程如下：排料罐下方排料閥打開后開始排料；當排料管壓力下降到設定壓力后，排料罐沖壓閥門打開開始沖壓到設定壓力后關閉；重復以上過程至排料完畢。通過現場實際觀測，在管線輸送物料過程中，當排料閥打開后管線的振動先增大然后逐步減小至靜止。當閥門打開后管線的壓力增大同時管線振動增大，當閥門關閉后管線振動逐漸減小。結合現場實測數據、振幅（圖2）及頻譜（圖3），分析得出以下結論：管線在整個排料過程中在激振力的影響下作受迫振動。當管線內壓力升高時受沖擊力增大，振動增大；當閥門關閉后排料結束，管線自下而上做自由衰減運動。管線振動的根本原因是：①輸送物料過程中，由于間歇式輸送物料管線內壓力及介質密度周期性大幅度變化，引起管線自由振動；②物料在輸送過程中對各彎管產生各方向沖擊引起的管線自由振動及振動疊加。

4 管線減振措施

根據以上對管線振動原因的分析，得出管線的振動原因是物料沖擊引起的自由振動和自由衰減振動，需從降低振幅入手，達到減振目的。

圖2 管線送料時振幅

（1）減小激振力，即降低輸送物料時管內壓力變化，由于管線的操作工藝無法改變，因此減小氣體壓力變化的做法無法實施。

圖3 管線送料時振動頻譜

（2）增加管線固定支撐，有效吸收振動能量，達到減小管線振動的目的。

針對管線各段的結構特點以及振動原因做以下減振措施。

（1）在每條排料管線地面段水平處設置能夠支承和約束管線橫向、軸向、垂直方向位移且具有調節功能的支座，確保排料口管道與設備之間保持良好一致的剛度，將大幅振動部位遷移出法蘭密集區域。

（2）將原有滑動支架改為彈性阻尼膠墩，約束管線各方向自由度。

5 結語

用ANSYS 軟件及測量儀器對某化工廠全密度聚乙烯裝置排料管線進行了ANSYS 分析及測量，得到了管線各段固有頻率和主要振型，為振動原因分析提供了理論依據。針對振動原因，對兩條排料管線進行了減振改造，對低階頻率振幅較大處增加了新型式支撐，新增加的支撐有效降低了振幅，自改造至今未再出現過管件振裂損壞情況，為該裝置的安全生產提供了良好的保障。